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烟稻轮作区不同耕作方式土壤微生物多样性的研究

雷燕萍  
【摘要】:烟稻轮作是中国南方较为普遍的一个种植模式,在烟稻轮作过程中由于户均种植规模增大、腾茬紧张、用工成本高等因素的制约,大部分烟杆被直接旋耕还田;烟草种植前,春季土壤翻耕过程中大量施用生石灰、白云石等土壤调理剂,用以提高土壤pH和杀灭部分土壤病原菌。烟稻轮作区的这些已有的耕作方式,不仅通过秸秆还田为土壤微生物提供丰富的营养物质,而且通过土壤pH的改变影响微生物的生长和繁殖。本文选择皖南烟稻轮作区作为典型研究区域,重点围绕烟稻秸秆还田、土壤调理剂施用对土壤微生物多样性与群落结构的影响,结合土壤理化性质进行多元分析,试图阐明土壤微生物变化的驱动因素,为皖南烟区和烟-稻轮作相似烟区推广烟杆安全还田提供理论依据和技术支撑。本文设置了 3组田间试验小区,即烟杆腐解试验小区和秸秆还田试验小区(分设砂土和壤土 2组试验小区),烟杆腐解试验小区采样时间为2015年6月,秸秆还田试验小区分别于2014年11月(秋季)、2015年3月(春季)和2015年6月(夏季)进行采样,对采集的土样进行土壤理化性质、微生物平板计数、细菌PCR-DGGE和细菌高通量测序分析。研究结果表明,在秸秆还田试验小区中,细菌数量总体表现为春季秋季夏季,壤土砂土,在壤土中表现为秸秆还田秸秆不还田;真菌数量在2种土壤质地中规律不一致,总体而言真菌数量在砂土中秋季春季夏季,在壤土中春季秋季夏季;放线菌数量均表现为春季夏季秋季。在烟杆腐解试验小区中,细菌数量在烟杆覆盖还田处理中最高,在烟杆还田+生石灰处理中最低;真菌和放线菌的数量在5种处理差异不显著。3组试验小区土壤pH均呈酸性。砂土秸秆还田试验小区中有机质和碱解N含量在6种处理之间差异不显著,速效K含量在烟稻秸秆均还田处理中最高:壤土秸秆还田试验小区中,除碱解N外其它理化性质在烟稻秸秆均还田处理中含量最高,而在肥料减量处理中除碱解N和pH外其它理化性质含量最低。在烟杆腐解试验小区中,全P、速效P和速效K的含量在5个处理中差异不明显,速效K的含量在添加降解菌后显著最高。与烟杆覆盖还田处理相比,烟杆还田+生石灰处理和烟杆还田+降解菌的速效P含量分别增加44.77%和51.88%,速效K含量增加36.73%和55.10%,差异均达显著水平(p0.05)。砂土秸秆还田试验小区中不同处理土壤细菌群落D G GE图谱分析结果表明,烟稻秸秆还田+白云石粉细菌群多样性最高,肥料减量最低;壤土不同处理土壤细菌多样性烟杆+稻草炭化还田最高,烟杆+稻草炭化+生石灰最低。烟杆腐解试验小区DGGE结果分析表明,烟杆还田+降解菌显著提高土壤微生物多样性;烟杆旋耕还田比烟杆覆盖还田微生物多样性高;烟杆还田+生石灰的土壤微生物多样性与烟杆旋耕还田相比也有显著提高。Proteobacteria(变形菌门)和Acidobacteria(酸杆菌门)为主要优势菌群,添加降解菌后Nitrospirae(硝化螺旋菌门)的细菌丰度显著增加。采用Illumina MiSeq测序技术,分析了砂土秸秆试验小区土壤细菌的多样性和群落结构。结果显示,样本平均测序长度为432bp,每个样品均得到超过30000条有效序列,18个样品共得到703703条序列,分属于31个门,69个纲,156个目,295个科,481属。烟杆+稻草炭化还田处理的OTU数量最多,微生物多样性指数和丰富度指数也最高,而肥料减量处理则最低。PCoA和RDA分析表明,不同处理之间的3个重复都可以聚到一起,且烟稻秸秆均不还田处理和烟稻秸秆还田处理,以及烟稻秸秆还田+白云石粉和烟杆+稻草炭化还田+生石灰处理之间的距离较近,其群落组成较为一致。在门水平上,全部处理小区均以Proteobacteria变形菌门丰度为最高,Acidobacteria酸杆菌门丰度次之,Actinobacteria放线菌和Chloroflexi绿弯菌门丰度在不同处理中存在差别。在属的水平上,不同处理中细菌丰度也存在差异,大于1%优势菌属有20个。烟杆+稻草炭化还田处理细菌多样性指数最高,Candidatus Koribacter,Candidatus Solibacter,Nitrospira,Geobacter 和 Dokdonella 属的丰良与其它处理之间存在显著性差异;肥料减量处理的微生物多样性最低,Rhodanobacter,Devosia,Mesorhizobium,Taibaiella,Streptomyces 和 Bacillus 属丰度最高,且与其它处理之间差异显著。基于UniFrac距离分析和属水平的多元线性回归树分析(MRT)表明肥料的用量是影响微生物多样性和群落结构组成的主要因素。


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